Обеспечение стабильного функционирования дисковых бункерных загрузочных устройств для асимметричных заготовок

Разнообразие асимметричных заготовок в различных отраслях промышленности требует для каждого конкретного случая разработки стабильных и производительных систем их автоматической загрузки к технологическому оборудованию, выполняющему различные операции производственного процесса [1, 2]. Небольшие по размерам и массе заготовки формы тел вращения загружаются системами на базе механических дисковых бункерных загрузочных устройств (БЗУ), которые приводят в требуемое ориентированное положение единичные заготовки из общей массы их навала в бункере устройства [3].

Традиционные БЗУ, спроектированные в советское время, применяются для заготовок с явной асимметрией формы, смещения центра масс, являются уникальными, то есть используются для конкретной заготовки с конкретными параметрами и формой [4].

В последние десятилетия разрабатываются их усовершенствованные версии. Такие БЗУ могут позволять ориентировать и заготовки с неявной асимметрией [5], могут быть универсальными, которые путем регулировки или замены рабочих органов могут подстраиваться под различные типоразмеры и формы заготовок [6].

В проектировании механических дисковых БЗУ особое место занимает научно-исследовательский блок, который включает разработку конструктивных ограничений на органы захвата и ориентирования БЗУ и разработку математических моделей вероятности захвата заготовок в БЗУ для описания его производительности [7]. Каждый из двух представленных этапов выполняется не только для обеспечения эффективной эксплуатации БЗУ, в процессе которой из БЗУ будут выданы только правильно сориентированные заготовки, а производительность их выдачи будет максимальной, но и для того, чтобы на ранних этапах проектирования точно спрогнозировать указанные параметры.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКИ ОГРАНИЧЕНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ОРГАНОВ ЗАХВАТА И ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ

ния (пассивное или активное). При этом радиально расположенные карманами могут захватывать заготовки как в положении лежа (например, БЗУ с радиальными карманами) (рис. 1, а), так и в положении стоя (например, БЗУ с зубьями) (рис. 1, б), а тангенциально расположенные карманы только в положении лежа (например, БЗУ с тангенциальными карманами и гребенкой) - (рис. 1, в).

Г                                                    д

Рис. 1. Схемы БЗУ с радиально расположенными карманами и захватом заготовок в положении лежа (а), в положении стоя (б) и тангенциально расположенными карманами в положении лежа (в) с пассивным (г) и активным (д) ориентированием

Для обеспечения стабильного функционирования дисковых БЗУ необходимо разработать конструктивные ограничения исходя из нижеследующего. Во-первых, карман должен захватить заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью. Во-вторых, в карман не должна запасть вторая заготовка. В третьих, при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки должны выпадать из карманов, а правильно запавшие - надежно в них удерживаться, а при активном ориентировании все запавшие в карманы заготовки должны переориентироваться в требуемое положение и быть в этом положении выданы из БЗУ [7].

Рассмотрим особенности разработки конструктивных ограничений на параметры захватывающих и ориентирующих органов различных типов БЗУ в зависимости от реализуемых в них способов захвата и ориентирования.

БУНКЕРНЫЕ ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ КАРМАНАМИ

Пассивное ориентирование заготовок, заготовки в положении лежа. Рассмотрим основные этапы разработки конструктивных ограничений на примере усовершенствованного БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой (рис. 2) [8].

Во-первых, карман должен захватить заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью. Тогда длина кармана ограничена условиями полного проникновения в карман заготовки, движущейся асимметричным торцом (наименьшим диаметром d 2), и невозможностью полного проникновения заготовки, движущейся в карман цилиндрическим торцом:

• l ₁ <  l _ê ≤ l - d ₁ sin β

где угол в , равный половине угла при вершине асимметричного торца, d y , l y - диаметр и длина наибольшего торца заготовки.

Конструктивные размеры кольцевого ориен-татора должны способствовать проникновению в его паз только заготовок, движущихся асимметричным торцом. На основании изложенного глубина паза кольцевого ориентатора принимается равной dy, а угол при вершине кольцевого ориентатора должен находиться в диапазоне

2 arccos

d I

[ fdI2 +      к - dI )2 J

< ак < 2р ,

Рис. 2. Схема БЗУ с радиально расположенными карманами и пассивным ориентированием с захватом заготовок в положении лежа

где L – длина кармана, определяемая как L = d ₁ + l_k .

Высота кармана принимается равной d 1 , что позволит полностью погрузиться в карман и не выпасть из кармана.

Во-вторых, в карман не должна запасть вторая заготовка. Ширина кармана ограничена данным условием d y <  b_K <  d y + A , а значение величины зазора Д может быть значительно больше области его традиционно рекомендуемых значений, так как захватывающий орган не осуществляет ориентирование.

Наибольший размер n паза кольцевого ориентатора в сечении должен выбираться из условия d 1 cos в <  n <  d i .

На рис. 3, а приведены диапазоны рабочих значений длины кармана в выбранных с учетом геометрических особенностей заготовок при длине заготовки 0,03 м, на рис. 3, б – диапазоны рабочих значений угла при вершине кольцевого ориентатора при значении коэффициента зазора Д 1 = 0,15, на рис. 3, в – диапазоны рабочих значений длины n его паза.

Длина кармана должна находиться в рабочей зоне, нижняя граница которой описана размером l k min , а верхняя - l k max и определяется в зависимости от коэффициентов a = d i / 1 , c = d 2 / 1 ; угол при вершине кольцевого ориентатора должен находиться в рабочей зоне, верхняя граница которой описана углом a k max , одинаковым для всех заготовок, а нижняя - углом a k min ; длина размера n паза кольцевого ориентатора должна находиться в рабочей зоне, верхняя граница которой описана длиной n _max , одинаковой для всех заготовок при указанной длине, а нижняя – n _min , определяется в зависимости от заменяющего коэффициента.

Рис. 3. Результаты математического моделирования рабочей зоны длины кармана (а), угла при вершине (б) и наибольшего размера паза (в) кольцевого ориентатора

Рис. 4. Схема БЗУ с радиально расположенными карманами и активным ориентированием с захватом заготовок в положении лежа

В третьих, при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки должны выпадать из карманов, а правильно запавшие – надежно в них удерживаться. Радиальные пазы должны способствовать беспрепятственному выпадению из паза заготовок, завершающих пассивное ориентирование. При этом заготовки не должны западать во впадины гребенки, снижая скорость своего движения и увеличивая тем самым общее время пассивного ориентирования, которое может достигнуть критических значений и нарушить работу БЗУ. Поэтому выбираются параметры начального участка гребенки b 2 = l i и высота ее выступа h В = 0,5( d i - d 2 ) .

Шаг гребенки находится в диапазоне li - xc + 0,5ditg(a + P) < bi < li, где a - угол наклона вращающегося диска.

Активное ориентирование заготовок, заготовки в положении лежа. Рассмотрим основные этапы разработки конструктивных ограничений на примере усовершенствованного универсального БЗУ с регулируемым кольцевым ориентатором (рис. 4) [9].

Во-первых, чтобы карман захватил заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью необходимо правильно подобрать размеры кармана: L (длина), B (ширина) и h _К (высота).

Получаем совокупность ограничений на длину L кармана:

L ^iи >  l при условии, что L > l_TT и L _п > _Р; ИНН       г •/         “ к ц ко dec"

'И^ах <  1 ц + d ИН и l _cT+A< d Ис^Н ; K Ц d,CC СТ d-СС ⁷

, х 7    ,7      7

^ ( ^l K ⁺ l ст ) ⁺ h K <  z •

Так принимается такое значение длины плоской части кармана l _к = l _ц + Д , которое удовлетворяет условиям. Ширина кармана В = d y + Д _к принимается максимально возможной, так как в данном случае будет наиболее высокое значение вероятности захвата заготовки карманом. Ограничение ширины B кармана обусловлено западанием другого изделия асимметричным торцом, то есть В <  d y + d ,^^^п ; высота кармана принимается достаточной для захвата заготовки и не превышающей его наибольший диаметр, то есть d y >  h _K >  0,5 d y .

Во-вторых, чтобы регулируемый кольцевой ориентатор препятствовал захвату карманом заготовки в неправильном положении, его максимальный размер должен быть меньше максимального диаметра заготовки n max <  d i . При загрузке группы заготовки параметр n будет подбираться для тоq заготовки, у которой диаметр цилиндрического торца меньше других.

Чтобы способствовать полному захвату заготовки в правильном положении глубина паза регулируемого кольцевого ориентатора должна быть больше длины асимметричного торца изделия l _ко >  l _асс . Глубина паза ограничений по длине больше не имеет, так как не участвует в процессе захвата. Форма и угол а К внутри паза кольцевого ориентатора регулируется в зависимости от группы загружаемых изделий и его изначальный профиль выбирается по тому изделию, асимметричный торец которого имеет наибольший размер и форму.

Чтобы копир имел свободный доступ к неправильно запавшему в карман изделию для его подхвата с целью переориентирования в усовершенствованном устройстве на периферии вращающегося диска предусмотрена ступенька с параметрами l _ст и h _ст . Выбор данных параметров осуществляется исходя из описанных выше условий.

В-третьих, чтобы карман удерживал неправильно запавшую заготовку в верхней части бункера до начала расположения копира, предотвратив выпадение изделия из кармана, необходимо определить минимальный от вертикальной оси угол, на котором должен располагаться копир - а _КОП . Для этого составляются условия статического равновесия заготовки в кармане в начальный момент времени, когда сумма моментов всех сил относительно опор, а также их проекций на оси ОY и OX равна нулю.

Пассивное ориентирование, заготовки в положении стоя. Рассмотрим основные этапы разработки конструктивных ограничений на примере БЗУ с зубьями универсального типа (рис. 4) [10].

Рис. 5. Схема БЗУ с радиально расположенными карманами и пассивным ориентированием с захватом заготовок в положении стоя

Во-первых, захватывающий орган БЗУ, должен с высокой вероятностью захватить заготовку в правильном положении и удержать ее в верхней части бункера, предотвратив выпадение из кармана; ем шире карман, тем больше вероятность западания в него заготовки и тем шире возможности БЗУ при захвате заготовок в форме колпачка с различными диаметрами.

Во-вторых, в карман не должна запасть вторая заготовка. Теоретически ширина кармана может быть ограничена лишь тем, чтобы в него при наличии в нем запавшей заготовки не запала вторая заготовка и в этот момент не происходило заклиниваний, то есть d i <  h k <  2 d y , при условии, что длина заготовки меньше 2 d 1 . Однако увеличение ширины кармана приведет к уменьшению количества захватывающих органов, которые можно расположить по окружности диска, что приведет к снижению производительности. Поэтому рекомендуется выбирать ширину кармана в диапазоне 1,1 d y <  h k <  1,6 d y , при условии, что l <  1,6 d y .

В-третьих, при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки должны выпадать из карманов, а правильно запавшие – надежно в них удерживаться. Длина кармана в зоне ориентирования должна быть выбрана так, чтобы заготовка, запавшая в карман в неправильном положении (открытым торцом), смогла выпасть из кармана, опрокидываясь на краю кармана dy + H .

Высота кармана, образованная верхней стороной регулируемого ориентатора и крайней точкой В вращающегося диска, регулируется в диапазоне Hзахв < H < HОрИент или, описав условия захвата и ориентирования заготовок получено l—xc — 0,5^^ctgOg > H > xc — 0,5^ctgOg . При этом минимальная высота кармана ограничивается высотой скругленной части дна заготовки при ее захвате, поэтому она не должна быть меньше высоты ее дна.

БУНКЕРНЫЕ ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА С ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ КАРМАНАМИ

Пассивное ориентирование заготовок, заготовки в положении лежа. Рассмотрим основные этапы разработки конструктивных ограничений на примере усовершенствованного БЗУ с тангенциальными карманами и гребенкой (рис. 6) [11].

Рис. 6. Схема БЗУ с тангенциально расположенными карманами и пассивным ориентированием с захватом заготовок в положении лежа

Во-первых, чтобы карман захватывал заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью его размеры должны быть следующими. Захватывающий орган БЗУ имеет длину, находящуюся в диапазоне l j < l _к < l j + А .

Во-вторых, чтобы в карман не запала вторая заготовка, высота кармана должна находиться в диапазоне 0,4 d j <  h j <  0,75 d j , что обеспечит нахождение в нем правильно запавших заготовок до момента их выдачи в приемник и вторая заготовка не западет в карман одновременно с первой.

В-третьих, чтобы при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки не выпадали из карманов, а правильно запавшие – надежно в них удерживались, были выбраны следующие параметры.

Для направления движения заготовок в процессе захвата и ориентирования в кармане предусмотрены фаски, размеры которых должны соответствовать выражению l ф : h ф = 1:2 . Большая грань фаски расположена со стороны западания предмета обработки в карман и имеет длину l ф = 0,5 1 . Высота кармана в верхней части бункера в месте расположения гребенки определяется как hi₀ = h j — И ф .

Гребенка обеспечивает с одной стороны выброс неправильно захваченных заготовок, а с другой – беспрепятственное прохождение по ней правильно запавших заготовок. Поэтому для надежного функционирования она должна иметь следующие параметры. Шаг гребенки должен находиться в диапазоне x c <  p <  0,5l . Области граничных значений допустимых размеров шага гребенки представлены в виде графиков на рис. 7.

Шаг гребенки должен находиться в рабочей зоне, ограниченной линией pmax , выше которой произойдет заклинивание заготовок, а нижняя граница определяется кривой, построенной для каждого типа заготовки в зависимости от a, c, f = l / li f. Высота гребенки должна находиться в диа-d - d^ „        - , пазоне 1 ^ 2 < ai < 0,5di.

Активное ориентирование заготовок, заготовки в положении лежа. Рассмотрим основные этапы разработки конструктивных ограничений на примере усовершенствованного БЗУ с тангенциальными карманами и переориентатором в виде ножевой опоры (рис. 8) [12].

Чтобы карман захватывал заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью его размеры должны быть следующими, чтобы в карман не запала вторая заготовка и чтобы при активном ориентировании все запавшие в карманы заготовки переориентировались в требуемое положение и были в этом положении выданы из БЗУ разрабатываются следующие ограничения.

Во-первых, в тангенциальном направлении по отношению к карману, когда одна заготовка своей боковой поверхностью лежит на другой заготовке и вместе с ней движется в верхнюю часть бункера, должно осуществляться переориентирование заготовок. Однако в данном случае процесс переориентирования нарушается, так как в радиальные карманы между ножевой опорой свалятся сразу две заготовки. При этом они могут быть не правильно сориентированы. Чтобы этого избежать необходимо, чтобы высота кармана была выбрана в диапазоне:

0,8 d 1 <  H <  d 1 + d¹ - d ² .

Рис. 7. Результаты математического моделирования шага гребенки для полых (а) и сплошных (б) заготовок с торцом в виде усеченного конуса

Рис. 8. Схема БЗУ с тангенциально расположенными карманами и активным ориентированиемс захватом заготовок в положении лежа

Выбор высоты в данном диапазоне позволит исключить сопровождение двух единиц в одной ячейке, которое может привести к сваливанию в карман одновременно двух заготовок, в том числе в не сориентированных положениях.

Во-вторых, в тангенциальный карман при некорректно подобранном значении зазоров Д к по длине кармана и Д по ширине кармана, заготовка может запасть одним из своих торцов, как меньшим, так и большим из диаметров (стоя) и, тем самым, нарушить процесс ориентирования. Так как минимальным для всех видов ступенчатых заготовок является диаметр d 2 , то именно по нему будут разрабатываться ограничения.

С одной стороны длина кармана должна быть больше диагонали продольного сечения заготовки. С другой стороны в карман не должна запасть стоя другая заготовка. Поэтому l + d2 > lк

>

l^ +1 d2 +

d-d ^ V

2 J

Чем больше величина зазора, тем больше вероятность западания заготовки в карман. Но его увеличение приведет к увеличению шага t тангенциальных карманов, что приведет к сокращению их количества и, тем самым, снижению производительности БЗУ. Поэтому целесообразно прини- мать минимальные значения зазора.

Учитывая то, что заготовки могут расположиться в кармане по диагонали, в кармане по его ширине может оказаться зона, куда стоя может запасть заготовка своим диаметром d2 . Поэтому при определении ширины тангенциального кармана нужно учесть то, что ее минимальное значение должно быть не менее большего диаметра заготовки. Максимальное значение ширины кармана бу дет следующим:

B max

d + d                         d +Д          l

= d₇ + —---2 cos ф - ( l - l i) • sin ф , ф = arcsin— r^= - arccos— j=^= .

2   2         1           ,/dM     i[2Td

Таким образом, одним из основных направлений обеспечения стабильности функционирования механических дисковых БЗУ при загрузке асимметричных заготовок является разработка конструктивных ограничений на параметры органов захвата и ориентирования, что обеспечивается соблюдением следующих условий: карман БЗУ должен захватить заготовку в правильном положении полностью и с наиболее высокой вероятностью; в карман не должна запасть вторая заготовка; в зависимости от способа ориентирования должен стабильно реализовываться этот процесс (при пассивном ориентировании неправильно запавшие в карманы заготовки должны выпадать из карманов, а правильно запавшие - надежно в них удерживаться; при активном ориентировании все запавшие в карманы заготовки должны переориентироваться в требуемое положение и быть в этом положении выданы из БЗУ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработка конструктивных ограничений на параметры захватывающих и ориентирующих органов БЗУ определяется способом расположения карманов; способом захвата заготовок; способом ориентирования заготовок; параметрами заготовок и БЗУ; требуемой (максимальной) производительностью для подачи в оборудование. Она является одним из основных исследовательских этапов, реализуемых на ранних этапах при проектировании БЗУ. Обеспечение при конструировании значений параметров органов захвата и ориентирования в диапазоне их граничных значений, определяемым математическими зависимостями, гарантированно позволит обеспечить стабильное функционирование БЗУ при загрузке асимметричных заготовок в технологическое оборудование автоматизированных линий различных типов.